Gasflussensorik in Beatmungsgeräten

Autor: Daniel Träutlein, Product Manager Sensirion, Medical

In der modernen Beatmungstechnik kommen Sensoren zur Messung von Gasflüssen in verschiedenen Anwendungen zum Einsatz. Je nach Hersteller und Verwendungszweck in den Geräten werden unterschiedliche Messprinzipien verwendet. Auf dem Markt sind mittlerweile viele verschiedene Sensorprodukte verfügbar. Seitdem die „Eiserne Lunge“ vor rund 80 Jahren zum ersten Mal für die Beatmung von Patienten eingesetzt wurde, hat sich die Beatmungstechnik rasant weiter entwickelt. Flusssensorik und Gasflusssensoren spielen heute neben Drucksensoren eine bedeutende Rolle. Während früher in der „Eisernen Lunge“ für die Beatmung ein Unterdruck erzeugt wurde, werden heute Geräte eingesetzt, die für einen Überdruck in der Lunge sorgen. Neben Luft werden auch andere Gase, insbesondere Sauerstoff, zur Beatmung verwendet. Die Menge und Mischung der verschiedenen Gase wird mittels Sensorik präzise gesteuert und überwacht. Je nach Einsatz des Beatmungsgerätes variieren folglich die Anforderungen an die Sensorik stark.

In der medizinischen Beatmung können Geräte grundsätzlich nach drei verschiedenen Einsatzgebieten unterschieden werden: Geräte für die Notfallmedizin, Geräte für die Intensivmedizin und der Heimeinsatz von Geräten. Jeder dieser Bereiche, beziehungsweise jedes einzelne Geräte, hat natürlich unterschiedliche Merkmale. Bei Geräten für die Notfallmedizin stehen Grösse und Gewicht an erster Stelle, da diese Geräte schnell und einfach zum Patienten transportiert werden müssen. In der Regel wird durch ein Netzteil die unabhängige Stromversorgung über Akkumulatoren gewährleistet. Beatmungsgeräte für die Intensivmedizin werden im Krankenhaus eingesetzt und vom medizinischen Personal bedient. 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.

Zur Flussmessung in der Beatmungstechnik werden unterschiedliche Messprinzipien verwendet. Die früher häufig eingesetzten Schwebeköper-Durchflussmesser sind heute auf Grund der Genauigkeitsanforderungen und der fortschreitenden Integration in elektronische Steuerungssysteme nur noch in älteren Geräten anzutreffen.

Flussmessungen mit Differenzdrucksensoren werden in vielen Geräten eingesetzt. Dabei ist es möglich, den Differenzdrucksensor weiter entfernt vom Patienten zu platzieren und trotzdem den Fluss nahe am Patienten zu bestimmen. Die Genauigkeit bei dieser Messmethode wird nicht allein durch den Sensor bestimmt, sondern durch die Kombination aus Differenzdrucksensor 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. Der Schlauch wirkt grundsätzlich dämpfend. Ein Knick im Schlauch sollte deshalb vermieden werden.

Weiter sind Lösungen auf dem Markt, die 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. Die Methode ist aber auch mit viel höheren Herstellkosten verbunden.

Zudem gibt es thermische Messprinzipien. Bei den thermischen Verfahren kann zwischen herkömmlichen Heizdraht-Anemometern und Heizfilm-Anemometern unterschieden werden. Der Nachteil der Hitzdraht-Anemometer besteht darin, dass nur der Betrag des Gasflusses gemessen wird. Eine Richtung kann nicht mit angegeben werden. Dieser Nachteil kann mit Heizfilmanemometern mit mehreren Feldern behoben werden.