In der medizinischen Beatmung unterscheidet man Geräte grundsätzlich nach drei verschiedenen Einsatzgebieten: Geräte für die Notfallmedizin, Geräte für die Intensivmedizin und Geräte für den Heimeinsatz. Jeder dieser Bereiche beziehungsweise jedes einzelne Gerät hat unterschiedliche Merkmale. Bei Geräten für die Notfallmedizin stehen Grösse und Gewicht an erster Stelle, da sie schnell und einfach zum Patienten transportiert werden müssen. In der Regel gewährleistet ein Netzteil die unabhängige Stromversorgung über Akkumulatoren.
Beatmungsgeräte für die Intensivmedizin setzt das medizinische Personal im Krankenhaus ein. Hier ist der Funktionsumfang wesentlich grösser als bei Geräten für die Notfallmedizin. Die Leistungsfähigkeit der Geräte steht im Vordergrund. Und beim Heimeinsatz von Beatmungsgeräten müssen die Geräte die Atmung von Patienten sicherstellen, die dauerhaft nicht alleine atmen können.
Anforderung an die Flusssensorik je nach Anwendung
Aus den verschiedenen Anwendungen ergeben sich diverse Anforderungen an die Flusssensorik. Bei Geräten für die Notfallmedizin soll der Druckabfall, das heisst der Widerstand, den ein Sensor der Gasströmung entgegenbringt, möglichst klein sein. Denn ein höherer Druckabfall bedeutet Mehrarbeit für die Turbine, die den Überdruck für den Patienten erzeugt. Ein geringerer Druckabfall erlaubt folglich eine längere Einsatzzeit beziehungsweise einen kleineren Akkumulator, was sich wiederum positiv auf Grösse und Gewicht auswirkt.
Der Wunsch im Intensivbereich, ein Gerät möglichst breit einsetzen zu können, stellt weitere Anforderungen an die Flusssensorik. Ein möglichst weiter dynamischer Messbereich und eine hohe Auflösung stellen den Einsatz für unterschiedlich grosse Patienten sicher. So sollen moderne Sensoren im besten Fall Flussmengen bis zu 250 Liter pro Minute messen, gleichzeitig aber auch Mengen unter einem Liter noch mit hoher Genauigkeit detektieren. Daneben ist insbesondere die Messgenauigkeit bei kleinen Gasflüssen entscheidend. Da man in der Intensivmedizin unterschiedliche Beatmungsmodi verwendet, ist auch eine schnelle Reaktionszeit der Sensoren notwendig. Allen Bereichen ist gemein, dass die Sensorik möglichst langzeitstabil und robust sein muss, um Rekalibrationen und Wartungsaufwände gering zu halten.
Herausforderung Steuerung und Überwachung
Weitere Anforderungen an die Sensorik ergeben sich aus den unterschiedlichen Funktio-nen zu deren Steuerung und Überwachung. Es wird zwischen inspiratorischen, exspiratorischen und patientennahen Sensoren (Spirometrie) unterschieden. Auf der Einatmungsseite (inspiratorisch) sind die Sensoren im Gerät verbaut. Sie sind weit vom Patienten entfernt, und der Gasfluss führt immer vom Sensor zum Patienten und nie in die andere Richtung. Das Gas ist trocken und sauber. Auf der exspiratorischen Seite hingegen wird die Ausatmungsluft gemessen. Die Luft ist feucht und kommt vom Patienten. Bei der patientennahen Sensorik gelten schlussendlich die höchsten Anforderungen. Patientennahe Sensoren müssen entweder wiederaufbereitbar, das heisst waschbar und autoklavierbar, oder als Einwegmaterial konzipiert sein. Zudem ist die Messung der Ein- und Ausatmung nötig, was zwingend einen bidirektional kalibrierten Sensor erfordert. Dies stellt insbesondere für Heizdraht-Anemometer eine grosse Herausforderung dar. Bei der Entwöhnung muss das Gerät das Einsetzen der Atmung ohne zeitliche Verzögerungen erkennen.
Verschiedene Messprinzipien
Zur Flussmessung verwendet man unterschiedliche Messprinzipien. Die früher häufig eingesetzten Schwebekörper-Durchflussmesser sind heute aufgrund der Genauigkeitsanforderungen und der fortschreitenden Integration in elektronische Steuerungssysteme nur noch in älteren Geräten anzutreffen. Oft setzen Hersteller Differenzdrucksensoren ein – sie lassen sich weiter entfernt vom Patienten platzieren und bestimmen den Fluss doch nahe am Körper. Die Genauigkeit bei dieser Messmethode bestimmt nicht allein der Sensor, sondern die Kombination aus Sensor und dem für den Druckabfall genutzten Element, einer sogenannten Blende oder einem Linearflusselement. Des Weiteren spielt auch der Schlauch zwischen dem Flusselement und dem Sensor eine wichtige Rolle. Da er grundsätzlich dämpfend wirkt, sollte man einen Knick vermeiden.
Weiter sind Lösungen auf dem Markt, welche die auf Ultraschall basierte «time off flight»-Messungen verwenden. Der eigentliche Sensor misst durch eine Kunststoffwand hindurch. Die einfache Wiederaufbereitung ist der Vorteil dieser Messmethode. Sie ist aber auch mit viel höheren Herstellkosten verbunden. Ausserdem gibt es thermische Messprinzipien. Bei den thermischen Verfahren kann man zwischen herkömmlichen Heizdraht- und Heizfilm-Anemometern unterscheiden. Der Nachteil der Hitzdraht-Anemometer ist, dass sie nur den Betrag des Gasflusses messen, eine Richtung kann nicht mit angegeben werden. Diesen Nachteil kann man mit Heizfilm-Anemometern mit mehreren Feldern beheben.
Integration und Auswertungselektronik auf einem Chip
Eine Weiterentwicklung der thermischen Messverfahren ist der CMOSens-Massenflusssensor von Sensirion. Beim Massenflussmesser sind die Temperatursensoren symmetrisch um ein Heizelement platziert. Dies erlaubt eine Bestimmung der Richtung und die präzise bidirektionale Messung. Die Integration von Sensor sowie analoger und digitaler Auswertungselektronik auf einem Mikrochip gewährleistet eine präzise Kalib-ration und Temperaturkompensation der Flussmessung.
Das Sensorelement und die Verarbeitung mit Kalibrationsdaten erlaubt eine schnelle Verarbeitung der Messsignale. Handelt es sich um eine Mischung zweier reiner Gase mit unterschiedlichen thermischen Eigenschaften, kann neben dem Fluss auch eine Bestimmung des Mischungsverhältnisses erfolgen. Dieses Signal verwendet man beispielsweise zur Bestimmung einer Lachgas-Luft-Mischung oder eines Heliox-Gemischs. Das Signal dient aber auch als redundantes Signal, wenn Flusssensoren bereits die Mischung regeln.
Massenflussregler für schnellere Time to Market
Neben reinen Flusssensoren gibt es auch Massenflussregler. Sie enthalten bereits ein Ventil und stellen vor allem für kleinere Hersteller eine interessante Alternative dar, da die Kosten für eine Eigenentwicklung oft nicht zu unterschätzen sind. Weiter erlaubt eine fertige Lösung eine schnellere Time to Market. Massenflussregler in der Beatmungstechnik müssen allerdings deutlich schneller sein als Lösungen für Industrieanwendungen, da sie der Atmung des Patienten folgen müssen.
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