Hightech News: Gasflusssensorik in Beatmungsgeräten

Aufgrund der oben genannten drei Anwendungen in der Beatmungstechnik 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 ein Gerät im Intensivbereich möglichst breit einsetzen zu können, stellt weitere Anforderungen an die Flusssensorik. So sollen Geräte universell einsetzbar sein, egal ob es sich beim Patienten um ein Kleinkind oder um einen Erwachsenen handelt. Ein möglichst weiter dynamischer Bereich und eine hohe Auflösung der Sensoren stellen den Einsatz für unterschiedlich grosse Patienten sicher. So sollen moderne Flusssensoren im besten Fall Flussmengen bis zu 250 Liter pro Minute messen gleichzeitig aber auch Mengen unter einem Liter noch mit hoher Genauigkeit detektieren. Neben diesem weiten dynamischen Messbereich ist insbesondere die Messgenauigkeit bei kleinen Gasflüssen von entscheidender Bedeutung. Da in der Intensivmedizin unterschiedliche Beatmungsmodi verwendet werden, 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.

Weitere Anforderungen an die Sensorik ergeben sich aus den unterschiedlichen Funktionen zu deren Steuerung, beziehungsweise Überwachung, die Sensoren eingesetzt werden. Es wird zwischen inspiratorischen Sensoren, exspiratorischen Sensoren und patientennahen Sensoren (Spirometrie) unterschieden. Auf der Einatmungsseite (inspiratorisch) werden 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. Im dritten Bereich, bei der patientennahen Sensorik gelten schlussendlich die höchsten Anforderungen. Patientennahen Sensoren müssen entweder wieder aufbereitbar, das heisst waschbar und autoklavierbar, sein oder als Einwegmaterial verwendet werden können. Im patientennahen Bereich ist ausserdem die Messung der Ein- und Ausatmung nötig, was zwingend einen bidirektional kalibrierten Sensor erfordert. Dies stellt insbesondere für Heizdrahtanemometer eine grosse Herausforderung dar. Denn wird ein Patient über längere Zeit beatmet, stellt die Entwöhnung besondere Herausforderungen an die Sensorik, wenn die Atmung des Patienten unterstützt werden soll. Das Einsetzen der Atmung muss vom Gerät ohne zeitliche Verzögerungen erkannt werden.

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.

Zurück zum Job Newsletter Januar 2014.