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Proximale Flusssensoren: Sensorik in modernen Beatmungsgeräten

Fortsetzung des Artikels von Teil 1.

Trends und technische Herausforderungen

Aktuelle Trends in Krankenhäusern zeigen, dass die nichtinvasive Beatmung heute häufiger und für weitaus mehr Krankheitsbilder genutzt wird als je zuvor. Patienten mit chronisch obstruktiven Lungenerkrankungen stellen dabei einen großen Anteil der Patientenpopulation dar, die mit nichtinvasiver Beatmung auf Intensivstationen behandelt werden. Im Fall von akutem Lungenversagen wird zum Beispiel auf Intensivstationen immer häufiger nichtinvasive Beatmung als First-Line-Therapie verwendet, was zu einer Verminderung infektiöser Komplikationen führt, die Entwöhnungszeit und die Verweildauer auf der Intensivstation verkürzt, die Intubationsrate reduziert [2] und mit Kostensenkungen einhergeht. Aber auch im Heimbereich nimmt die nichtinvasive Langzeitbeatmung aufgrund von Lungenkrankheiten wie COPD, Lungenfibrosen oder Cystischer Fibrose zu.

Dreh- und Angelpunkt aller Be­atmungsgeräte ist die genaue Messung der Atemgasflussrate und des Atemgas­volumens, das in den Patienten hinein- und wieder aus ihm herausfließt. Erst diese Messungen mit höchster Empfindlichkeit und hoher Genauigkeit ermöglichen die heute übliche patientenorientierte Be­atmung, die auch die Pathophysiologie des Patienten besser widerspiegelt. So erlauben beispielsweise die Überwachung von Druck-, Massenfluss- und Volumenwerten über die Zeit, Veränderungen im Zustand des Patienten zu beobachten, zum Beispiel eine verringerte Lungenkapazität. Der schematische Aufbau eines Beatmungsgerätes mit den typischen Luftfluss-/Sensorpositionen ist in Bild 1 dargestellt.

Die komplexen Beatmungskreisläufe befinden sich durch die individuell verwendeten Schläuche, Befeuchtungsgeräte, Filter und Adapterstücke in unterschiedlichsten Zusammensetzungen. Dadurch kann es immer wieder zu Leckagen kommen, weshalb die inspiratorisch gemessene Flussrate teils stark von der Flussrate abweicht, die den Patienten tatsächlich erreicht. Gleiches gilt für die exspiratorisch gemessene Flussrate. Die Luftflussmessungen werden zudem durch die ständigen Veränderungen der Lufttemperatur, Feuchtigkeit und Atemgaszusammensetzung sowie durch die Kontamination der Schläuche und der exspiratorischen/proximalen Sensoren durch Auswürfe, Pathogene und Blut erschwert.

Aufgrund technischer Limitierungen wurden die Messungen der inspiratorischen und exspiratorischen Flussraten in der Vergangenheit im Beatmungsgerät durchgeführt. Die teils grob unterschiedlichen Flusswerte zu den eigentlich beatmeten Werten wurden soweit möglich durch aufwendige und mit Ungenauig­keiten behaftete Kompensationen korrigiert. Um dieser technischen Herausforderung entgegenzuwirken, wird heute der Atemfluss möglichst nahe beim Patienten, also proximal, gemessen.

Sensirion Bildquelle: © Sensirion

Der SFM3400 bei sehr hoher Feuchtigkeit (links)

Sensirion Bildquelle: © Sensirion

und mit Einsatz (rechts) des speziellen externen Heizelements. Inspiratorisches und exspiratorisches Volumen mit proximaler SFM3400-Sensorlösung über 16 Stunden gemessen.

Vorteile der proximalen Sensorik

Für Atemgasfluss-, Volumen- und Druckmessungen ist inzwischen von der Neonatologie ausgehend akzeptiert, dass sich die beste Messposition möglichst nahe, also proximal, beim Patienten befindet [2]. So können die Patienten mit möglichst genauen Tidalvolumen beatmet und die oben erwähnten 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 der proximalen Flussmessung sind die verzögerungsfreie Atemsignalerfassung, auf die das Beatmungsgerät noch schneller reagieren kann, sowie die Detektion von Leckagen. Insbesondere proximale Sensoren bei der Leckagenreduktion erweisen sich sowohl bei der volumenkontrollierten als auch der druckkontrollierten Beatmung als hilfreich, um die Ursachen für Überwachungs- und Triggerprobleme zu reduzieren. 

Die Weiterentwicklung der Beatmungs­geräte war immer auch an die zur Verfügung stehende Sensortechnologie gekoppelt. Von den anfangs verwendeten 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 zum Beispiel die CMOSens-Technologie von Sensirion, die in allen Massenflusssensoren und Differenzdrucksensoren des Unternehmens zum Einsatz kommt. Damit steht ein auf MEMS-Technologie (Mikro-Elektro-Mechanisches System) basierendes und stetig wachsendes Sensorportfolio zur Verfügung, welches inzwischen alle Sensoranforderungen eines Beatmungsgerätes abdeckt:

  • 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 Mehrweg-Sensorlösungen mit verschiedenen Methoden von Waschen bis hin zu Autoklavieren (135 °C, >2 bar Druck und 100 % rela­tiver Feuchte) reinigen.

Einige der wichtigsten Unterschiede zur Vorgängertechnologie, den Heizdraht-Anemometern, bestehen darin, dass die modernen Durchflusssensoren ein digitales und vollständig kalibriertes und temperaturkompensiertes Ausgangssignal abgeben. Damit können die Sensoren direkt und ohne vorgängige, zeitraubende oder periodisch zu wiederholende Kali­bration beim Patienten eingesetzt werden. Weiterhin erlauben die Sensoren, symmetrisch in beide Richtungen zu messen. Die robuste Sensortechnologie benötigt dabei keinen Nullpunktabgleich, driftet nicht mit der Zeit davon und muss über die Sensorlebensdauer nicht kalibriert werden. Die Technologie erlaubt außerdem eine hysteresefreie und positionsunabhängige Nutzung 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 an. Die Vorteile ermöglichen den Krankenpflegern und dem medizinischem Personal eine einfache Handhabung der Beatmung von Patienten, was sowohl im anspruchsvollen Segment der Notfallbeatmung als auch im subakuten Bereich und in der häuslichen Pflege entscheidende Vorteile bringt. 

Anforderungen an die (proximale) Flusssensoren

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

Eine Achillesferse aller am Markt befindlichen Luftflusssensoren ist die Kombination mit Befeuchtungsgeräten. Wie bereits erwähnt, sind sie nicht nur aus Komfortgründen für die Therapie wichtig und werden daher entsprechend häufig genutzt. Dabei macht die hohe Feuchtigkeit durch Kondensation zu makroskopischen Tropfen in kühleren Teilen des Beatmungskreislaufes Probleme. Als Lösung für diesen schwierigen, aber weitverbreiteten Anwendungsfall stattet Sensirion beispielsweise seine proximalen und exspiratorischen Sensoren mit einem zusätzlichen externen Heizelement aus. Der Betrieb dieses Heizelements mit maximal 0,5 W reicht bereits aus, um Kondensation im Sensor zu verhindern und damit einen langzeitstabilen und zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten.

Dies wurde an einem simulierten neonatologischen Beatmungsfall mit sehr feuchter Luft und kleinstem Tidalvolumen von nur 5 ml unter Beweis gestellt. Der in Bild 2 skizzierte Aufbau zeigt, dass ein in der Beatmung typisch eingefügtes Befeuchtungsgerät für die starke Befeuchtung der Atemluft sorgt. Der im Ofen bei 37 °C befindliche Stahlzylinder simuliert die Lunge des Säuglings mit der angeschlossenen Drucksensorreferenz. Das gesteuerte Ventil wird dabei für den inspiratorischen Atemzyklus geschlossen und für den exspiratorischen Atemzyklus einmal pro Sekunde geöffnet.

Ohne diesen Heizer sieht man, wie über den Verlauf von 16 Stunden während der Beatmung von dem sehr kleinen 5 ml Tidalvolumen immer wieder einzelne Wassertropfen über die Sensoroberfläche laufen und für eine Verfälschung der Messwerte sorgen. Dies ist an den Abweichungen des exspiratorischen/inspiratorischen Volumens zum Referenzvolumen aus Bild 3 (links) gut zu erkennen. Umgekehrt verhält es sich, wenn das Heizelement eingeschaltet ist. Über den gesamten Verlauf der 16 Stunden Beatmung kam es zu keiner nennenswerten Beeinträchtigung der proximalen Messung durch die hohe Feuchte (Bild 3 rechts).

Fazit & Ausblick 

Einsatz und 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. Technologien wie CMOSens begründen 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. Der gewaltige technologische Vorsprung erlaubt es den Herstellern, bereits heute die nächsten Quantensprünge in der Beatmung einzuläuten.
 

Quellen

[1] S. Crane, M. Elliot, P. Gilligan and et al, »Noninvasive ventilation in cardiogenic pulmonary edema: A multicenter randomized trial,« Am Journal Respir Crit Care Med, Bd. 168, pp. 1432–1437, 2003.

[2] R. A. Castle, C. J. Dunne, Q. Mok, A. M. Wade and J. Stocks, »Accuracy of displayed values of tidal volume in the pediatric intensive care unit,« Crit. Care Med., p. 2566–74, No. 11, Vol. 30, 2002.

Zuerst geshen
Dieser Beitrag (Titelstory) stammt aus der Medizin+elektronik Nr. 6 vom 02.11.2018. Hier geht’s zur vollständigen Ausgabe.